Электрическое поле трёхфазного кабеля 2D

Рассмотрим поперечное сечение трёхжильного кабеля. Внутри заземлённой металлической оболочки (на ней потенциал φ\varphi=0{} = 0) расположены три токопроводящие жилы — фазы A, B и C, симметрично через 120°. Между жилами и оболочкой — диэлектрик без свободных зарядов, поэтому потенциал электростатического поля удовлетворяет уравнению Лапласа, а каждая жила является эквипотенциалью с мгновенным фазным напряжением (условие Дирихле):

2φx2\displaystyle \dfrac{\partial^2 \varphi}{\partial x^2}+2φy2\displaystyle {} + \dfrac{\partial^2 \varphi}{\partial y^2}=0,\displaystyle {} = 0,(x,y)\displaystyle (x, y) Ω,\displaystyle {} \in \Omega,φΓk\displaystyle \varphi\big|_{\Gamma_k} =Vk(t),\displaystyle {} = V_k(t),k\displaystyle k=A,B,C,\displaystyle {} = A, B, C,φΩ\displaystyle \varphi\big|_{\partial \Omega} =0.\displaystyle {} = 0.
(7.4)

Здесь Ω\Omega — диэлектрик (область между жилами и оболочкой), Γk\Gamma_k — границы жил, Ω\partial \Omega — внутренняя поверхность оболочки. Напряжения на жилах образуют симметричную трёхфазную систему. Для сети с линейным напряжением 380 В фазное действующее равно 220 В, то есть амплитуда UmU_m=2202{} = 220\sqrt{2}311 В{} \approx 311\ \text{В}:

VA=Umsinθ,VB=Umsin ⁣(θ2π3),VC=Umsin ⁣(θ+2π3),θ\displaystyle \begin{aligned} V_A &= U_m \sin \theta,\\ V_B &= U_m \sin\!\left(\theta - \tfrac{2\pi}{3}\right),\\ V_C &= U_m \sin\!\left(\theta + \tfrac{2\pi}{3}\right), \end{aligned} \qquad \theta=ωt.\displaystyle {} = \omega t.
(7.5)

Поскольку VAV_A+VB{} + V_B+VC{} + V_C=0{} = 0, картина поля непрерывно перетекает, оставаясь симметричной. Задачу (7.4) решаем численно методом конечных элементов на треугольной сетке: слабая форма ΩφvdΩ\int_\Omega \nabla \varphi \cdot \nabla v \, d\Omega=0{} = 0 при заданных значениях φ на жилах и оболочке. Для каждого мгновения θ — своя правая часть (свои отношения потенциалов), поэтому ниже последовательно решается серия краевых задач, имитирующая ход синусоид.

Рис. 7.4. Численное (МКЭ) электростатическое поле трёхфазного кабеля. Цветом показана карта потенциала φ\varphi (синий — минус, красный — плюс), в жилах — мгновенные напряжения. Кнопка ∇ накладывает векторы поля E\mathbf{E}=φ{} = -\nabla \varphi, кнопка ▶ запускает анимацию хода синусоид.